MIT ontwikkelt batterij met CO2-opslag

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een nieuw type lithiumbatterij ontworpen, die gebruik kan maken van CO2 opgevangen in elektriciteitscentrales. De nieuwe MIT-batterij kan tijdens het ontladen CO2 in een minerale vorm binden. Ze is samengesteld uit lithium, koolstof en een elektrolyt die de MIT-onderzoekers zelf ontwikkelden.

De meeste bestaande technieken voor de opslag van CO2 in mineralen gebruiken speciale chemicaliën en metalen katalysatoren. Vandaag gebruiken elektriciteitscentrales die zijn uitgerust met systemen om CO2 op te slaan tot 30% van de er opgewekte stroom voor de opvang en opslag van CO2. Volgens de onderzoekers kan elke verbetering voor een aanzienlijke wijziging zorgen in het economisch plaatje van zulke systemen.

“CO2 is chemisch weinig actief,” zegt assistent professor Betar Gallant, die het onderzoek leidde. “Daarom is het vinden van nieuwe reactiepaden belangrijk. Gewoonlijk is er veel elektriciteit met hoge spanningen nodig om de chemische activiteit van CO2 significant te verhogen. Zulke processen kunnen duur en inefficiënt zijn. In ideale omstandigheden zou dit tot de productie van een nuttige chemische of brandstof moeten leiden. Maar de inspanningen om langs elektrochemische weg een omzetting te realiseren –ze worden meestal in water uitgevoerd– worden gehinderd door zowel de hoge energie-inputs als door het weinig selectieve karakter van de geproduceerde chemicaliën.

Gallant en haar medewerkers hadden al ervaring met elektrochemische reacties in niet-waterige omgevingen, zoals de reacties die aan de basis liggen van de lithium-batterijtechnologie. Ze bekeken specifiek de mogelijkheid om CO2-gebaseerde elektrolyten te gebruiken.

Hun aanpak verschilt van de traditionele CCS-methode (carbon capture and storage), waarbij het opgevangen CO2 uiteindelijk in gasvorm ondergronds wordt opgeslagen of wordt omgezet in een brandstof of in een chemische grondstof. Ze vonden een manier om het CO2 al in de afvalstroom van de krachtcentrale om te zetten in één van de basisbestanddelen van een lithiumbatterij. Bij de ontlading van zulke batterijen fungeert het CO2, dat vrijkomt uit de elektrolyten, als reactiegas. Daarna wordt het opgeslagen in vaste koolstofverbindingen.

Vroeger betekende de lage reactiviteit van CO2 een rem op deze toepassing. Daarom werden (en worden) veel duurdere metalen katalysatoren gebruikt. Bovendien zijn de reacties op basis van zulke katalysatoren moeilijk te controleren en is nog niet met volledige zekerheid duidelijk hoe deze reacties precies werken.

Gallant en haar team brachten het CO2 in vloeibare vorm en vonden een manier om hiermee elektrolyse tot stand te brengen met koolstofelektroden. De kern van dit proces is de pre-activering van het CO2 door het in te brengen in een amine-oplossing. Dat vergemakkelijkt de elektrochemische werking. Het gekozen amine was al eerder gebruikt bij CCS, maar nog niet voor batterijen.

Nog lang niet marktrijp

De MIT-batterij is helaas nog niet klaar voor de commerciële markt. Voorlopig is haar levensduur beperkt tot tien oplaadcycli. “Het zal nog jaren duren voor lithium-CO2-batterijen rendabel zijn,” meent Gallant. “Maar het is een concept met veel potentieel.”

Het MIT-team onderzoekt nu de mogelijkheid om met een continue toevoer CO2 onder druk in combinatie met het amine te werken in plaats van met een vast, vooraf aangebracht volume. Op die manier zou de batterij stroom kunnen leveren zolang de CO2-toevoer in stand blijft.

De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het academische tijdschrift Joule.